Modalprovning och analys av ett flygplanspropellerblad

Vibrationsmätningar på plats med accelerometrar ger viktig data för att analysera ett systems inneboende dynamik. Vi använde Dewesoft för att utföra en modalanalys av ett flygplanspropellerblad och identifiera dess resonansfrekvenser och svängningsmoder. Genom mätningarna får vi en bättre förståelse för strukturens dynamiska beteende och visar framför allt det grundläggande värdet av experimentella mätningar.

Som Kelvin uttryckte det: ”Om du inte kan mäta, kan du inte förbättra.” Mätning gör det möjligt för ingenjörer att fatta beslut baserade på fakta snarare än åsikter. Att känna till ett systems aktuella tillstånd är en nödvändig förutsättning för att kunna förutsäga dess utveckling och därmed optimera det. Experimentella mätningar kan dessutom ge svar på frågor som ännu inte har ställts.

Datainsamlingsutrustning för modalanalys

En modalanalys utförs vanligtvis genom att excitera strukturen med en slaghammer eller en shaker och därefter mäta dess vibrationsrespons med en eller flera accelerometrar som är fästa på det undersökta objektet.

Vi genomförde mätningarna i en kontrollerad miljö, i det tekniska laboratoriet vid ingenjörsinstitutionen vid universitetet i Trieste. Följande utrustning användes:

• 8-kanaligt Dewesoft KRYPTON datainsamlingssystem

• Slaghammer med IEPE-kraftsensor

• IEPE enaxlig accelerometer

Uppställning

Först definierar vi de sensorer som ska användas i DewesoftX-programvaran. Vi har:

• Hammare

• Första accelerometern (acc 1)

• Andra accelerometern (acc 2)

Vidare anger vi att alla använda sensorer är av IEPE-typ och att den fysiska storheten som ska mätas med hammaren är kraft [N]. Därefter definierar vi instrumentens känslighet: för hammaren är den 20 mV/N, medan den för accelerometrarna är 10 mV/N.

För att utföra modalanalysen väljer och aktiverar vi en testmodul, specifikt Modal Test, en matematisk modul som används för att beräkna överföringsfunktionen mellan två signaler.

Man måste komma ihåg att ställa in gruppen för roving hammer/response, vilket är avgörande för analysen. Därefter aktiverar vi Preserve calculated groups så att resultaten från tidigare mätningar behålls när vi går vidare till en ny mätning. Därför måste vi ha:

Vid denna punkt arbetar vi med systemets insamlingsparametrar. Vi kan definiera upplösningen, det vill säga avståndet mellan de spektrala komponenterna i vårt spektrum. Vi sätter värdet till 4096, vilket ger en mätvaraktighet på 1,64 s.

En viktig parameter är samplingsfrekvensen, det vill säga hur ofta signalen samplas och förs in i datainsamlingssystemet. Enligt Nyquists teorem måste samplingsfrekvensen vara minst dubbelt så hög som den högsta frekvensen av intresse.

En första uppskattning av propellerbladets möjliga egenfrekvenser kan ligga inom intervallet hundratals till tusentals Hz.

Därför definierade vi en samplingsfrekvens på 5000 Hz. Eftersom vi vill observera bladets svängningsmoder upp till 1500 Hz måste vi sampla med minst 3000 Hz. Vi valde dock att höja denna gräns för att ha en säkerhetsmarginal.

I avsnittet Excitation anger vi antalet noder som ska exciteras med hammaren och definierar triggern.

Vi konfigurerar triggern så att datainsamling och bearbetning startar när en viss kraftnivå, applicerad med hammaren på ingångskanalen, uppnås. I vårt fall satte vi värdet till 5 N och aktiverade automatisk återtrigger, vilket gör att flera slag, exakt tre per nod, kan utföras i följd.

Dessutom kan vi definiera ett tidsfönster. I vårt fall använde vi ett kraftfönster, en typ av fönstring som minskar spektralläckage i den uppmätta signalen och därmed förbättrar både spektral upplösning och datakvalitet i modalanalysen.

I avsnittet Response anger vi de relevanta responskanalerna för accelerometrarna:

• första accelerometern (acc 1)

• andra accelerometern (acc 2)

Båda måste konfigureras i samma grupp för att sensorerna ska kunna mäta acceleration samtidigt.

I avsnittet för utgångskanaler finns flera parametrar som programvaran markerar som Used och som kräver särskild uppmärksamhet:

• FRF H1: I detta fall antas ingen brus förekomma i insignalen, vilket gör mätningarna mer noggranna. Allt brus antas finnas i utsignalen.

• Ordinary Coherence: Koherens är ett numeriskt värde mellan 0 och 1 som mäter graden av linjäritet mellan två korrelerade signaler.

• Ordinary Mode Indicator Function (MIF): är ett verktyg inom modalanalys som används för att identifiera bladets resonansfrekvenser.

Vi kan visa MIF-värdet i DewesoftX, se figur 8.

Slutligen definierar vi strukturens geometri i Geometry Editor genom att markera de noder där vi kommer att applicera slag med hammaren.

Procedur

När programvaran är korrekt konfigurerad måste vi bestämma hur strukturen ska fixeras. Vi använde en skumgummibädd för att simulera fria randvillkor, se figur 9.

Denna fixering orsakar en lokal dämpning som inte är jämnt fördelad över hela strukturen, utan koncentreras till ett specifikt område, bladets bas som är i kontakt med skumgummit.

Effekten leder till uppkomsten av komplexa moder, där strukturens noder inte svänger i fas med varandra. Olika punkter på propellerbladet når därför sin maximala förskjutning vid olika tidpunkter, vilket innebär en fasförskjutning i svängningarna. Se accelerometrarnas placering i figur 10.

Därefter placerar vi propellern på skumgummit och monterar accelerometrarna på strukturen med hjälp av bivax.

Vid denna punkt kan vi gå vidare med mätningarna med den instrumenterade hammaren. Vi använde ett arbetssätt där vi utförde i genomsnitt tre slag per exciteringspunkt och väntade 10 sekunder mellan varje slag. Detta tidsintervall gör det möjligt för strukturen att dämpa vibrationerna och återgå till sitt ursprungliga jämviktstillstånd.

I programvaran kan vi samtidigt visa:

• Hammarsignal i tidsdomänen

• Hammarsignal i frekvensdomänen

Vi går vidare till nästa punkt när vi är nöjda med mätningen. När alla slag har utförts på en given nod kan programvaran direkt visa FRF-diagrammet för den aktuella exciteringspunkten.

Experimentella FRF:er och svängningsmoder

När vi har kommit så här långt fortsätter vi i DewesoftX med modulen Modal Analysis:

Modulen uppmanar dig att bearbeta ett visst antal FRF:er, i detta fall 44. När alla FRF:er har importerats kan du visa dem och definiera ett frekvensområde, här 160 Hz. Se det medelvärdesbildade FRF-resultatet av alla frekvenssvarsfunktioner i figur 11.

I DewesoftX kan vi visa AutoMAC (Modal Assurance Criterion). ”Auto” i AutoMAC innebär att de två modformerna kommer från samma test.

Ett AutoMAC-värde lika med 1 innebär att de två modformerna är identiska, medan ett värde som närmar sig 0 visar att de skiljer sig åt. På huvuddiagonalen är värdet 1 eftersom man jämför en modform med sig själv.

Frekvenserna som visas i figur 13 är de dämpade frekvenserna. Dewesofts modul för modalanalys beräknar även dämpningsförhållanden för varje mod.

Slutsats

Nu kan vi visualisera modformerna i programvaran. Genom att noggrant konfigurera uppställningen med en slaghammare, enaxliga accelerometrar och datainsamlingssystemet Dewesoft KRYPTON kunde vi exakt registrera bladets vibrationsrespons. Processen innebar noggrann kalibrering och korrekt inställd trigger för att säkerställa hög datakvalitet och tillförlitlighet. Vi optimerade viktiga parametrar som upplösning och samplingsfrekvens för att täcka det relevanta frekvensområdet och säkerställa en komplett och pålitlig analys.

Användningen av en skumgummibas för att simulera fria randvillkor introducerade lokal dämpning, vilket framhävde komplexa svängningsmoder och underströk vikten av realistiska experimentella förhållanden. Resultaten, bearbetade i DewesoftX, gav tydliga insikter i bladets frekvenssvarsfunktioner (FRF), dämpningsförhållanden och modformer.

I vår modalanalys av ett flygplanspropellerblad identifierade vi framgångsrikt dess resonansfrekvenser och svängningsmoder med hjälp av vibrationsmätningar på plats med accelerometrar. Dewesoft-systemet gjorde det möjligt att mäta och analysera bladets dynamiska beteende med hög precision.

Detta experimentella tillvägagångssätt understryker den avgörande betydelsen av noggranna mätningar inom ingenjörsarbete, i linje med Kelvins princip att förbättring förutsätter möjligheten att mäta.